全 文 ：南 京 林 业 大 学 学 报
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5 1 9 9
期月第 1 9卷第2
15 9 9年6
优级松节油过热水蒸汽蒸馏操作的分析与计算
程康华
( 南京林 业大学 南京
文,1幸平 余文琳
2 1 0 0 3 7) (南京中医药大学 ) (南京林业大学 )
摘 要 分析优级 松节油过 热水蒸汽 蒸馏操 作 , 并根据优油提馏塔的物杆街算 、 热童
衡算和 气液平衡基本关来推导出优油提馏段 的操作线方程 , 用逐板计算法计算 出提
馏塔的理论塔板数 。
关链词 优油 ; 重 油 ; u 一旅烯 ; 长叶烯和松香
中图分类号 T Q 3 51
在松香生产中 ,一般采用过热水蒸汽蒸馏分离松节油和松香 。在蒸馏釜中直接通入过热水
蒸汽的作用主要是降低蒸馏温度 , 从而避免树脂酸氧化 ,提高产品质量 。 然而 ,蒸馏过程中通入
过热水蒸汽 , 不仅占有一定传质空间 , 并且会造成惰性屏障 , 降低传质效率 , 其降低程度随过热
水蒸汽的用量增大而增加 。 在相同的情况下 , 不同的操作方式过热水蒸汽消耗量不同 ,采用逆
流连续操作比间歇操作过热水蒸汽消耗量要小得多 〔’ · ’ 〕 , 所以现代先进的大型松香厂脂液蒸馏
都采用连续操作的塔设备 。
由于生产松香的原料松脂是一个化学成份复杂的物系 , 所以脂液蒸馏一般可以得到优油 、
重油和松香三种产品 。 所谓优油就是 1 70 C 以前的馏份占 90 %以上的优级松节油 , 其主要成份
为 。 一旅烯 。 重油是主要成份为长叶烯的重质松节油 ,松香为沸点很高的树脂酸所组成 。 所以蒸
馏塔要分为二段 , 第一段的优油塔 , 塔顶产品为优油 , 第二段为松香塔 , 塔顶 产品为重油 ,塔底
产品为松香 s[] 。
目前 , 连续操作的蒸馏塔还没有一个科学的分析和计算方法 , 设计时根据生产经验 , 往往
带有一定的随意性 。 198 动年钱萍发表 了松香塔的操作分析和计算方法红’ 〕 ,而对优油塔的操作
进行理论分析与计算 ,至今尚未有文献报道 。 本文参考有关文献 〔’ ` · 5 1的计算方法 , 结合松节油
蒸馏的实际 ,重新推导和修正了某些 公式 , 利用这些公式进行理论分析和计算 , 得到一个实用
的计算方法 。
l 理论分析
由于松香视为不挥发组分 , 所以气相中只有挥发的 a 一旅烯 ,长叶烯和过热水蒸汽 。 在蒸馏
操作时 , 过热水蒸汽以鼓泡方式送 入蒸馏釜与液相接触进行传热和传质 ,挥 发组份受热气化 ,
收稿 日期 一99 4一 0 3 一2 修改稿到到 日期 19 9 5 一 0 3 一 2 1
第一作者简介 : 程康华 . 男 . 南京林业大学化工学院讲师 。
1 99 5年 总第 6 4期 程康华等 :优级松节油过热水燕汽燕馏操作的分析与计算
随过热水蒸汽上升 , 依次通过每块塔板与流下被相逆流接触进行热量和质量传递 , 从而使液相
易挥发的 a 一旅烯不断进入气相 。 进行理论分析时 , 可将塔釜和每块塔板视为理论板 。 当液相中
的组分摩尔分率为 x 时 , 根据 aR ou it 定律可得其气液平衡时的蒸气分压 : 八 = 尸 iX ( l)
气相中过热蒸汽的分压应为总压与挥发组分分压之差 , 即 八 ~ , 一 公八 。 根据道尔顿
( oD lont )分压定律 , 气相中过热水蒸汽与挥发组份摩尔比和质量比分别为
S, sP 叮一万八
f , 公八 万八
S sP对召
V 公八对云 ( 2 )
由于在塔釜中和塔板上气液两相接触时间较短 ,未能充分将挥发组份带出 , 所以气相中挥
发组份的实际分压 p il 小于同温度下的理论分压 八 , aC r yr 定义了一个气化效率 E,[ 习 :
P il
_ . 一 ` . 、 , ` , 。 。名二 .下一 心 但一放刀 .U 勺一 .U 人
过热水蒸汽用量 , 可根据全塔挥发组份的物料衡算方法计算出来 :
ó、产、 .八j月了任、价 k一二 , - -二二二 - 代 , - - 一 - 二
~ 一二 , 气二 - + ( 之一 l , .十 t 七—川 , ( X J 月 一 X 衡 ) 入 J ,
P , o 丛
砚了月
P一气
一石一.尤式中 :
计算过热蒸汽 (活汽 )量后 ,就可以根据全塔热量衡算求出闭汽补充的热量 Q 。
对全塔进行热量衡算得 :
lIF , + 口+ S H . , ~ 刀行 。 + 习H 、 。 + 林 ,h 。 ( 5 )
同时 ,对全塔进行物料衡算
F = D + M
’
( 6 )
尸X 了一 刀大 。 . 十 计火 .
优油塔中任意一水平截面上逆流相遇的液相和气相质量与组成的关系 , 可通过塔底和任意 n
块理论板之间所包括的范围作物料衡算 :
.lI ~ !
广 . _ :
+ W
加X ,il 一 F
联立以上两式得
一 J梦(一 : ) . + M火 . ,
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(一 )一 X . , 、
X
. `一 X川 加 / W -
X : 、一 夕一 : )
X
-一 少(一 l ) .
( 8 )
( 9 )
( 10 )
在这个范围内作热量衡算 . 得到塔 内同一水平截面上相遇的液相和气相的热状态关系 :
.I h一 匕一 H `一 , + 计口 ,。 ( 1 1 )
式中 : SH ` 一 , ~ H 一 `+ 五万 H · `一 ”
Q
` . , ·
= h
、 。 Q+
S H 、 :
计
尸一 : 为以 I kg 挥发组分为基准的第 , 一 1块塔板上升混合蒸汽的热焙 [ k J / gk 挥发组分〕 ;
7
。 ` 为塔釜热参数 [ k J / k g 〕。
将塔内任意一水平截面的物料衡算式和热量衡算联合解得 :
白 l/ ’ 梦。
: 一 : 〕 ,一 X : , . _ H `一 : 一 口` 。
X
.一 X 、 .、 h一 Q` : ( 1 2 )
, _ . 八 , , _ X 。 一扒一 : ) . _ 2 ,f 一 H `一 :
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南 京 林 业 大 学 学 报 第 9 1卷 第 2期
式 (12 )和 (13 )为优油塔的操作线方程 ,描述了任意两塔板间逆流相遇的液相和气相之间
质量 、组成和热状态的关系 。 应用操作线方程和平衡关系可以逐板计算出优油塔的理论塔板数 。
2 实例论证
某松香厂优油连续提馏塔 ,脂液进量为 15 6 5 kg / h ,进料温度 150 ℃ ,脂液中 a 一旅烯含量为
25
.
2肠 (质量分率 , 下同 ) , 长叶烯含量 12 . 8% , 根据工艺要求 , 塔底流出液中 a 一旅烯含量不大
于 4 . 5% , 塔顶 -a 旅烯含量不低于 90 % , 已知塔底温度 180 ℃ ,试求该塔优油段的理论板数 。
解 : 已知 X 了d ~ 0 . g X 。诵 = 0 . 1 2 2 N一 3 . 2 1 〔km ul / h ]
街月 = 2 . 9 0 k m o l / h 。 , , 一 0 . 9 8 km o l / h
( l )求出 。 和 w
根据式 ( 6 )和 ( 7 )求得 : “ 尸 = 1 15 6 k g / h
D ~ 3 7 9 k g / h X
。 · ,
= 0
.
1 3 7
( 2) 求活汽用量
* 一解匕 + ( *一 l ) + (* 一翼)竺 1* : ( x , , 一 X , , )一 入 了月 犷月一 n了月 一
k一病 ` 取 。 18 0+ 15 02 ~ 1 6 5 ` C
尸, o = 9 4 6 m m H包 尸a o二 5 7 m m H g [` ]
P ~ 7 6 0 m m H g k一 1 . 3 1
7 6 0
[一= 去芸头苏二 + ( l一 U 一 O 不 廿任 O 不 ` U 一 沙 3 1一 l ) + ( 1
.
3 1一黑 ) x 旦嘿 1 x 3 . Z l x ( 。 . 。一 。. 1 2 2 )沙 粗0 ` 。 签 U 一
= 5
.
4 6 k m o l / h
考虑热损失等因素 , 实际用活汽量为计算量的 1 . 4倍 , 即实际用活汽量为 5 . 46 x l . 4 ~
7
.
6 4 k m ol / h ~ 1 3 8 k g / h
( 3) 求闭汽用量
根据式 ( 5 )得 : Q = D ( H 。 一 h了 ) + 占 ( H ; 。 一 刀 ; : ) + “ 护 (介。一` )
根据文献 71[ 查得 。 旅烯 . 长叶烯和松香所汽化潜热和比热计算公式 ,并计算出它们各自的
汽化潜热和 比热 ,最后求得 Q= 15 1 45 0 k J / h 。 ,
如果闭汽压力为 Z k g / e m ’ (绝压 ) , t = 3 0 0 C ,排出压力为 Z k g / e m Z (绝压 ) , t = 2 0 0 C , 则它
们的焙分别为 3 0 7 2 [ k J / k g 〕和 2 7 9 2 [ k J / k g」
则用汽用童 18 1 4 8 0
3 0 7 2一 2 7 9 2 = 6 4 8 k g / h
( 4 )求理论板数
在釜低 t : = 18 0 C 尸:一 = 7 6 0 m m H s
P 、一 0 . = 1 3 4 6 m m H g P
一 o ,
= 9 4
.
4 m m H g
p
, .诵
= p
, , : X ` 。 」 = 13 4 6又 0 . 0 8 9 = 12 0 m m H s
p ,一 a 一 p ,, 一。 a X ` . ,省 ~ 9 4 · 组X O· 1 8 1= 1 7一 m m H s
,
` …」
= 0
.
8 7 5 犷。 j = 0 . 8 2 4
,
` 。飞 ~ 0
.
1 2 5 夕。旧 = 0 . 1 7 6
一 9 4 一
一 95 9年 总第 6` 期 程康华等 :优级松节油过热水蒸汽蒸馏操作的分析与计算
S
,
f
、 少
万一 公八、
公巧 、
7 6 0一 ( 12 0 + 17 . 1 )
1 2 0+ 17
.
1
= 4
.
5 4
S ,
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= 0
.
5 6 6 F
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5 4
6 8 km o l / h
5 1 3 8
0
.
5 6 6 0
.
5 6 6
= 2 4 4 kg / h
乙 , , = F , 。 · + 评` = 1 . 6 8 + 4 . 4 0 ~ 6 . 0 8 km o l /h
L : = 1 4 3 0 kg / h
根据式 ( 10 )
L
,
/ r
,
~
梦“ , 一 X 。 · ,
X l , 一 X 。 ,月 求得 火
: ,
= 0
.
17 8 x ` : , = 0
.
3 0 6
L , /W =
工。 , 一夕。 ,
X 一。一 夕“ j 得
: : , = 0
.
1 4 4 x ` ,。 ~ 0
.
1 6 4
在第一块理论板
根据式 ( 13 )
其中 ,
2
“ t一编 ` 一
L . /计尸 - 口
` 。一 H ` ,:
拍一 H 尸。 ·
Q+ S H ,
·
林 , = 3 9 9一
18 1 4 8 0 + 13 8 X 3 0 7 2
1 18 1
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2 4 4 X 3 0 7 2
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S
_ _
_ _ ` .
H
` “ ` 一 H ,一可 “ ` “ ’ = b 了U+ = 2 4 0 7 . 6 k J / k g
h
:
= 3 1 7 k J / k g
3 17
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1 6
= 14 7 C一卜一cl一
P兮」 = 6 0 0 m m H g
P
一」
~ 18 4 m m H g
~ 0
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9 7 4
= 0
.
0 2 6
P宁, = 3 0 m m H g
P
. ,
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梦一」一 0 . 9 6 3
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5 3 k m o l / h
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[
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L : = 1 5 4 5 k g / h
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~ 0
.
1 15
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过热水蒸汽蒸馏效率较低 , 一般 。一 0 . 4 ,实际板数 N
,
N
,
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二- - 丁一 办 .
U
.
4
参 考 文 献
杨志才 , 李伯春 . 有惰性气体存在的精馏 . 石油化工 . 1 992 , 2 1 ( ` ) : 2 37 ~ 24 !
钱萍 . 重松节油过热水蒸汽提馏塔的操作分析与计算法 . 1 9 8月 , 南京林学院学报 , 8 ( 4 ) : 75 ~ 87
南京林学院主编 . 天然树脂工艺学 . 北京 : 中国林业出版社 . 1 98 3
C
、
A
. 巴茄屠罗夫著 . 郭天民译 . 蒸谕与精馏教程 . 北京 : 石油工业出版社. 1 959
一 9 5 一
南 京 林 业 大 学 学 报 第 1 9卷 第 2期
A
、
A
.库兹涅佐夫著 .沈复译 .石油加工工业主要过程及设备 .北京 :石油工业出版社 .5 1 97
El i er比 . R.W .S ta em一 Dl i i s t恤 ti o nB a si s cC h em iCl a E ngi nr e ei ng
.
81 (5 ): 15 0 ~1 1 2
南京林产工业学院主编 .林产化学工业手册 .北京 :中国林业出版社 .1 97 9
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m a t e r ia l 比纽 n e e , e n e r g y ab la n c e a n d v a po r 一 li q u id e q u il b r i u m r e la t io n i n d is t il la t i o n o f li g h t 0 11 , t h e o P-
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(责任编辑 叶 予 )
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